Magnetismus, Ladungs- und Spintransport in Graphen Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Kläui; Professor Dr. Klaus Müllen
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 171802943

Graphen ist nicht nur ein für die Wissenschaft hoch interessantes Material, sondern darüber hinaus einer der vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige Applikationen der Spintronik und Nanoelektronik. Aufgrund seiner elektronischen Struktur weist es die höchsten bisher gemessenen Ladungsträgermobilitäten auf. Außerdem ergeben sich aus der geringen Hyperfein-Wechselwirkung sowie der geringen Spin-Orbit-Kopplung sehr große Spin-Diffusionslängen und Spin-Relaxationszeiten. Basierend auf unseren kürzlich beobachteten enormen Ladungsträger-Mobilitäten (100.000 cm²/(Vs)) in turbostratischem Graphen werden wir die Abhängigkeit dieser Größe von der Anzahl der Lagen studieren, um den Einfluss der Umgebung (Substrat, Adatome), den dominierenden Streumechanismus und die Ladungstransportmechanismen zu bestimmen. Damit können wir die maximal möglichen Mobilitäten in diesen Multilagensystemen ermitteln. Die von uns realisierte effiziente Spin-Injektion ohne Tunnelbarrieren in diesem Material erlaubt es uns, große diffusive Spinströme zu erzeugen und wir werden die limitierenden Spin-Relaxationsmechanismen ermitteln. Im Hinblick auf die Möglichkeit diese Spinströme zu benutzen, um Magnetisierungen effizient zu manipulieren, werden wir die Spin-Diffusionslänge und Spin-Akkumulation auf diese Weise optimieren. Graphen Nanobänder sind atomar-perfekte graphenbasierte Nanostrukturen, die ein gewaltiges Potential für zukünftige Spintronik und Nanoelektronik aufweisen. Wir werden die Kanten dieser Nanobänder mit atomarer Präzision maßschneidern. Hierfür entwickeln wir einerseits Bottom-up - Methoden, um sie chemisch zu synthetisieren. Andererseits sind wir im Transmissionselektronenmikroskop in der Lage ein Graphengitter Atom für Atom zurechtzuschneiden. In diesen atomar perfekten Strukturen werden wir Schlüsselgrößen des Ladungs- und Spintransports wie Moblitäten, Spin-Diffusionslängen und Hall-Koeffizienten ermitteln. Über den klassischen Transport hinaus wurden eine Reihe von Vorhersage über ungewöhnliche Eigenschaften dieser Nanostrukturen gemacht. Quanten-Einschränkung durch die 1D Geometrie führt zu breitenabhängigen Bandlücken und magnetische Zustände, die durch Defekte und spezielle Kanten-Strukturen hervorgerufen werden sollen hier untersucht werden. Dazu werden wir in elektromigrierten Nanolücken Nanobänder mit verschiedenen Breiten und maßgeschneiderter Kanten-Struktur einfügen und die Transporteigenschaften vermessen. Dabei werden wir eine Reihe, sich teils widersprechende, theoretische Vorhersagen überprüfen. Darüber hinaus werden wir speziell funktionalisierte Nanoribbons auf nichtleitenden Substraten lithographisch kontaktieren und Quantentransport über große Distanzen zum ersten Mal systematisch in diesen 1D-Systemen studieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1459: Graphene